Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Abscheideein­richtungen, nämlich auf Gasreinigungsvorrichtungen, die insbesondere im Sicherheitsbereich von Kernreaktoren oder Bioreaktoren Anwendung finden. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Sicherheitsvorrichtung für derartige bzw. in derartigen Reaktoren.

An Kernreaktoren und Bioreaktoren werden immer höhere Sicher­heitsanforderungen gestellt. Bisher wurden mit z.T. riesigem konstruktivem Aufwand Druckbehälter, Ausgleichsbehälter u.ä. konstruiert, um im Falle von Reaktorversagen die Schä­den einzudämmen. Im Falle eines katastrophalen Unfalles eines Reaktors, insbesondere also bei einem Schmelzen der spaltbaren Masse eines Kernreaktors, helfen Druckbehälter u.ä. nur begrenzt. Diese können die Kontamination der Atmo­sphäre nicht verhindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der Reaktoren versehen werden können, und die im Falle des Betriebes oder von Unfällen in dem Reaktor die Kontamination der Atmosphäre verhindert oder beschränkt.

Diese Aufgabe wird durch eine Abscheideeinrichtung sowie durch eine Sicherheitsvorrichtung gelöst, wie sie in den Ansprüchen definiert sind. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.

Die erfindungsgemäße Abscheideeinrichtung weist einen Druck­behälter auf. Dieser Behälter ist so ausgelegt, daß er erheb­lichen inneren Überdrücken gegenüber der Umgebungsatmosphäre standhält. Insbesondere soll ein solcher Druckbehälter, vorzugsweise beim Einsatz für Druckwasser-Kernreaktoren, dafür ausgelegt sein, einem inneren Überdruck von bis zu 1,6 MPa ohne weiteres Stand zu halten. Für den Einsatz im Zusammenhang mit Bioreaktoren soll ein solcher Druckbehäl­ter vorzugsweise dafür ausgelegt sein, einem inneren Über­druck von bis zu 0,5 MPa ohne weiteres Stand zu halten.

Ein derartiger Druckbehälter besteht vorzugsweise aus rost­freiem Stahl, kann jedoch auch aus Stahlbeton aufgebaut sein. Für die Materialauswahl ausschlaggebend ist deren Gasundurchlässigkeit und deren Hitzebeständigkeit und deren Widerstandsfähigkeit gegen chemische Reaktionen mit Konta­minationsprodukten, insbesondere im Falle von Kernreaktoren also mit Spaltprodukten.

Die Druckbehälter für die Abscheideeinrichtung sind typischer­weise im wesentlichen zylindrische Behälter. Typische Abmes­sungen für die bevorzugten zylindrischen Druckbehälter sind:
- Länge: bis 3 m
- Innendurchmesser: 0,1 bis 2 m
- Wandstärke: 2 bis 20 mm

Die Druckbehälter sind vorzugsweise so ausgebildet, daß sie aus zumindest zwei Teilen aufgebaut sind. Diese beiden Tei­le sind durch eine Flanschverbindung mit einem Dichtungs­element dazwischen miteinander verbindbar.

Im Inneren der erfindungsgemäßen Abscheideeinrichtung be­findet sich in Strömungsrichtung gesehen zunächst ein Tröpfchenabscheider. Ein solcher Tröpfchenabscheider soll aus Aerosolen und feuchten Gasströmen, insbesondere bei höheren Temperaturen im Hochdruckbereich die flüssigen Be­standteile abscheiden. Die Tröpfchenabscheider arbeiten überwiegend als Prallabscheider. Die abgeschiedene Flüssig­keit tropft vorzugsweise in den unteren Bereich des Druck­behälters zurück. Von da aus kann die angesammelte Flüssig­keit durch eine Drainageöffnung aus dem Druckbehälter ent­fernt werden. Von dieser Drainageöffnung fließt die abge­schiedene Flüssigkeit dann durch eine Drainageleitung zu einem Flüssigkeitsaufnahmebehälter.

Der Tröpfchenabscheider kann beispielsweise ein typischer Demister sein. Vorzugsweise weist der Tröpfchenabscheider eine mit dem eintretenden zu reinigenden Strom in Kontakt tretende hydrophobe Oberfläche auf.

In Strömungsrichtung nach dem Tröpfchenabscheider befinden sich in dem Druckbehälter der erfindungsgemäßen Abscheide­einrichtung Filter mit hoher Oberfläche. Für typische Aus­führungsformen solcher Abscheideeinrichtungen hat ein sol­ches Filter eine Anströmfläche, also eine Fläche, die das zu reinigende Fluid durchströmt, von ca. 0,2 bis 80 m².

Das bevorzugte Filter für die Abscheideeinrichtung besteht aus einer großen Anzahl zylindrischer Filterkerzen, die in einer Lochplatte im wesentlichen parallel dichtend gehalten werden. Typischerweise befinden sich 1 bis 150 solcher Fil­terkerzen in einem solchen Druckbehälter. Die Filterkerzen sind hohlzylindrisch aufgebaut, z.B. aus kompakt gefalteten Filtermaterialbahnen, die einen zylindrischen Innenraum umgeben und an dem in den Druckbehälter hineinragenden freien Ende der Filterkerzen durch ein Abschlußstück verschlossen sind. Das untere Ende der Filterkerze ist dichtend in der Lochplatte, z.B. über ein weiteres Abschlußstück der Fil­terkerze, das eine zentrale Öffnung aufweist, verbunden. Auf diese Weise kann das Fluid von außen durch die Filtermaterialoberfläche einströmen, und das gereinigte Fluid verläßt die Filterkerze durch die zentrale Öffnung in der plattenseitigen Endkappe. Die Filtermaterialien sind vorzugsweise als plissierte Filterelemente ausgebildet und in zylindrischer Form zwischen den Endkappen angeordnet.

Als Filtermaterialien kommen insbesondere Faservliese ver­schiedener Kombinationen sowie Faservliese kombiniert mit Membranen in Frage. Dabei bestehen die Fasern ebenfalls aus hitzebeständigen und chemikalienbeständigen Materialien. Vorzugsweise werden Vliese aus rostfreiem Stahldraht einge­setzt. Diese Metallfasern können auch mit Kunststoff um­mantelt sein. Als Membranen werden vorzugsweise Edelstahl­materialien oder Fluorkohlenwasserstoffmembranen eingesetzt.

Vorzugsweise besteht das Filtermaterial des Filters aus zumindest zwei Lagen, nämlich einem Metallfasermaterial aus gesintertem Edelstahl und einer daran sich anschließenden Edelstahlmetallmembran.

Vorzugsweise hat das Edelstahlvlies eine absolute Rückhalte­rate von 3 µm oder besser und die Edelstahlmembran hat eine absolute Rückhalterate von 5 µm oder besser, insbesndere von 2 µm oder besser. Die typischen Edelstahlmembranen, die bei dieser Erfindung vorzugweise eingesetzt werden, haben eine Stärke von 200 bis 500 µm.

Je nach Anwendungszweck können die Abscheidungseffizienz sowie die Porengröße und das Porenvolumen des Filtermateri­als unterschiedlich sein. Bei Abscheidesystemen für Bio­reaktoren findet vorzugsweise ein Filtermaterial Anwendung, dessen Abscheideeffizienz für Teilchen von 0,01 µm und grös­ser höher ist als 10⁹. Das Filtermaterial zur Anwendung in Bioreaktoren hat vorzugsweise eine absolute Rückhalterate von 0,2 µm für Flüssigkeiten. Für Filtermaterialien in Abscheidesystemen für Kernreaktoren ist die Abscheideeffi­ zienz ß für Teilchen von 0,3 µm und größer vorzugsweise zumindest 10³. Im Falle der Filtermaterialien in Abscheide­systemen für Kernreaktoren ist die absolute Rückhalterate vorzugsweise 10 µm, insbesondere für noch effektivere Ab­scheidungen etwa 5 µm und feiner in Flüssigkeiten.

Dabei bedeutet die Abscheideeffizienz ß das Verhältnis der Anzahl der Partikel (oder Aerosolteilchen) in dem Fluid, das in das Filter eintritt, zu der Anzahl solcher Partikel in dem Fluid, das aus dem Filter austritt. Diese Abscheide­effizienzen gelten je nach Anwendungsbereich für unterschied­liche Zustände wie:
trockene Gase bei Atmosphärendruck
trockene Gase bis 7 bar absolut
feuchte Gase bis 7 bar absolut
für übersättigte Gase.

Insbesondere weisen die beschriebenen Filtermaterialien auch definierte Abscheideeffizienzen bei reiner kontinuier­licher und intermittierender Flüssigkeitsfiltration auf. Die Differenzdruckfestigkeit der Filter bzw. Filterelemente des Abscheidesystems der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise bis zu 1 MPa, insbesondere sollte diese Diffe­renzdruckfestigkeit im Bereich von 0,5 bis 1,5 MPa liegen. Diese Angaben gelten insbesondere für die Anwendung der Filter in Kernreaktoren. Bei Bioreaktoren liegen die ent­sprechenden Werte bei einem Drittel der oben angegebenen Druckwerte.

Für den Einsatz bei Bioreaktoren ist das Filtermaterial vorzugsweise hydrophobes Kunststoffmaterial, insbesondere ein hydrophobes Kunststoffmembranmaterial. Gegenwärtig be­vorzugte Materialien bestehen aus fluoriertem Kohlenwasser­stoff-Polymeren. Diese Filtermaterialien für Anwendung des Abscheidesystems in Bioreaktoren sind vorzugsweise hydro­phob, d.h. ein Tropfen Wasser auf den Materialien darf nicht zerlaufen.

Die bei Bioreaktoren eingesetzten Filtermaterialien sind vorzugsweise Kunststoffilterelemente mit einer Stärke von 100 bis 300 µm. Zur Erhöhung der Filtereffizienz kann es bevorzugt sein, mit mehrlagigen, insbesondere doppellagigen Filtermaterialien zu arbeiten.

Im Falle eines Abscheidesystems für Bioreaktoren ist es bevorzugt, zwischen dem Tröpfchenabscheider und dem eigent­lichen Filter ein Vorfilter zur Entfernung größerer Teil­chen einzusetzen. Dieses Vorfilter ist vorzugsweise mit den Abmessungen und Strukturelementen aufgebaut, wie sie oben für das Filtermaterial für die Kernreaktoren angegeben wur­den. Dieses Vorfilter kann ebenfalls als Filtereinheit mit einer Vielzahl von hängenden Filterkerzen in einer Lochplatte ausgebildet sein, und das Material für ein derartiges Vor­filter ist vorzugsweise rostfreier Stahl in Form von beispiels­weise Edelstahlmembranen bzw. Edelstahlvliesen. Im Betrieb tritt dann der zu reinigende Strom zunächst durch den Tröpf­chenabscheider, danach durch das Vorfilter und schließlich durch das eigentliche hydrophobe Filter.

Weitere bevorzugte Einzelheiten und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnung. Es zeigen

• Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Abscheideeinrichtung;
• Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch eine Reaktoranlage mit einem Druckwasserreaktor
• Fig. 3 und 4 weitere Schnittansichten durch eine Reaktoranlage mit einem Druckwasserreaktor, bei denen die Abscheideeinrichtung gemäß der Erfin­dung in unterschiedlichen Bereichen, liegt.

In Fig. 1 ist eine Abscheideeinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Fig. 2 zeigt die alternative Abscheideeinrich­tung mit stehend angeordneten Filterkerzen, die bevorzugt für den Bereich Bioreaktoren ist. Beide weisen einen Druck­behälter 1 auf, der einen oberen Abschnitt 2 und einen unte­ren Abschnitt 3 aufweist. Im Inneren des Druckbehälters 1 ist in Strömungsrichtung des Fluids gesehen zunächst ein Tröpfchenabscheider 4 angeordnet.

Durch den am Druckbehälter 3 angebrachten Zufuhrstutzen 5 wird das zu reinigenden Fluid, in Störfällen meist ein Aero­sol mit verschiedenen Verunreinigungen, zugeführt. Es strömt durch den Fluid- oder Tröpfchenabscheider 4. Die sich abschei­dende Flüssigkeit tropft zurück in den unteren Bereich des Druckbehälters 1. Vn dort wird die gesammelte Flüssigkeit durch eine Drainagestutzen 6 aus dem Inneren des Druckbe­hälters 1 abgeführt.

In dem Druckbehälter 1 befindet sich weiterhin eine Platte 7 mit zahlreichen Öffnungen. In diesen Öffnungen der Platte 7 ist jeweils ein im wesentlichen rohrförmiges Filterele­ment 8 fluiddicht so angebracht, daß das durch den Stutzen 5 eingeführte Fluid, welches durch den Tröpfchenabscheider 4 weitgehend von Tröpfchen befreit wurde, von außen in die Filterkerzen 8 eintritt und das Innere dieser Filterkerzen 8 durch die jeweilige Öffnung in dem Endabschlußstück der Filterkerzen 8 und eine Öffnung in der Lochplatte 7 ver­läßt. Vorzugsweise sind die oberen Endabschlußstücke der Filterherzen in die Platte 7 eingeschweißt. Der Druckbehäl­ter ist oben durch einen Deckel 9 mit Anschußstutzen 10 verschlossen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten und bevorzugt in Bioreakto­ren bzw. an Bioreaktoren Anwendung findenden Abscheideein­richtung sind die Filterkerzen 8 stehend, nicht wie in Fig. 1, hängend angeordnet. Die Platte 7 bildet Teil einer im Inneren des Druckbehälters 3 angeordneten Reinfluid-Sammel­kammer 11. Diese Sammelkammer 11 wird im Betrieb von dem vom Tröpfchenabscheider 4 kommenden Fluid umströmt. Das gereinigte Fluid sammelt sich in der Sammelkammer, die ins­besondere durch einen schüsselförmigen Abschlußteil 12 zu­sammen mit der Platte 7 gebildet werden kann. Von dieser Sammelkammer wird das Reinfluid durch eine Reinfluid-Leitung 10, die dichtend durch die Wand des Druckbehälters 3 geführt ist, abgeleitet.

In den Fig. 3, 4 und 5 sind verschiedene Ausführungsformen eines Sicherheitssystems gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist gemäß Fig. 3 ein Druckwasserreaktor 20 in einem Reaktorraum 21 vorgesehen. Die erfindungsgemäße Abscheideeinrichtung ist innerhalb des Reaktorraumes 21 angeordnet. Eine Abgasleitung 22 führt durch die Wand des Reaktorraumes. Diese Leitung ist dichtend durch diese Wand hindurchgeführt. Die Abgasleitung 22 führt ebenfalls dich­tend weiterhin durch die Außenwand des Reaktorringraumes 23 und über ein Druckentspannungsventil 25 zu einer Abgasver­arbeitung, z.B. einen Schornstein 25.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist ein Druckwasserreaktor 20 wiederum in einem Sicherheitsbehälter 21 vorgesehen. Diesmal ist die Abscheideeinrichtung gemäß der Erfindung innerhalb des Reaktorringraumes 23, aber au­ßerhalb des Reaktorsicherheitsbehälters 21 angeordnet. Die Zufuhrleitung führt in dieser Ausführungsform durch die Wand des Sicherheitsbehälters 21 und zu der Abscheideein­richtung. Die Abluftleitung 22 führt durch die Wand des Reaktorringraumes 23. In der Abluftleitung 22 ist ein mo­torbetriebenes Absperrventil 30 vorgesehen. Dieses Motor­ventil kann über einen Betätigungsschalter 31 von außen betätigt werden. Die Abgasleitung 22 führt bei dieser Aus­führungsform noch durch ein weiteres Filtersystem 35 und schließlich durch das Druckentspannungsventil 24 zu dem Kamin 25.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform schließlich ist die Abscheideeinrichtung gemäß der Erfindung in einem Bereich außerhalb des Reaktorringraumes 23 angeordnet. Die Zufuhrleitung 29 zu der erfindungsgemäßen Abscheideeinrich­tung führt durch die Wand des Sicherheitsbehälters 21, die Wand des Reaktorringraumes 23 und schließlich zu der Ab­scheideeinrichtung. In dieser Zufuhrleitung 29 ist ein wie­derum von außen bedienbares Motorventil 40 vorgesehen, das über einen Schalter 41 betätigt werden kann. Auch bei die­ser Ausführungsform ist in der Abgasleitung 22 ein weiteres Filtersystem 35 vorgesehen.